葉輪機(jī)械原理-第五章第1頁/共35頁2上節(jié)課內(nèi)容回顧

對于幾何相似的壓氣機(jī)，如果流動進(jìn)入自模區(qū)，沒有臨界截面，流動相似需要滿足：壓氣機(jī)內(nèi)流動相似，需要滿足：軸流壓氣機(jī)的等價相似準(zhǔn)則幾何相似；運動相似；動力相似。進(jìn)口Ma數(shù)相等（包括大小和方向）?？紤]到動葉的旋轉(zhuǎn)，需要保持進(jìn)口Ma數(shù)、葉尖切線Ma數(shù)相等。第2頁/共35頁3上節(jié)課內(nèi)容回顧單級壓氣機(jī)的實驗特性曲線亞聲速壓氣機(jī) 超跨聲速壓氣機(jī)第3頁/共35頁4上節(jié)課內(nèi)容回顧多級軸流壓氣機(jī)在非設(shè)計工況下級間的不協(xié)調(diào)性

若工作壓比高于設(shè)計值，此時流道收縮太慢，軸向速度逐級加速變?。蝗艄ぷ鲏罕鹊陀谠O(shè)計值，此時流道收縮太快，軸向速度逐級加速變大。第一級第二級末級第4頁/共35頁5上節(jié)課內(nèi)容回顧四類非設(shè)計工況分析第5頁/共35頁65.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用5.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用應(yīng)用一：在進(jìn)行壓氣機(jī)實驗時，運用相似理論來減少驅(qū)動壓氣機(jī)運轉(zhuǎn)所需要的功率。第6頁/共35頁75.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用1，縮型實驗所需實驗臺功率、轉(zhuǎn)速的變化（1）確定相比較的對象；（2）相似準(zhǔn)則的選??；（3）確定相比較的截面。第7頁/共35頁85.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用2，進(jìn)口節(jié)流法實驗另一種減少實驗壓氣機(jī)消耗功率的辦法是關(guān)小壓氣機(jī)實驗裝置中的進(jìn)氣節(jié)流閥，使進(jìn)入壓氣機(jī)的氣體總壓降低，從而減少流量，減少消耗功率。（1）確定相比較的對象；（2）相似準(zhǔn)則的選取；（3）確定相比較的截面。第8頁/共35頁95.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用例題1、風(fēng)扇/壓氣機(jī)縮型實驗所設(shè)計的戰(zhàn)斗機(jī)用小涵道比風(fēng)扇，在標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣條件下，風(fēng)扇流量為105kg/s，風(fēng)扇壓比為2.2，效率為0.88，風(fēng)扇直徑900mm，轉(zhuǎn)速為n=10500r/min。（1）進(jìn)行縮型實驗研究，相似準(zhǔn)則必須滿足哪些？（2）如果實驗臺動力功率最大僅能提供2000千瓦，按多少縮型比進(jìn)行實驗研究比較適宜？（3）實驗臺動力必須達(dá)到的轉(zhuǎn)速是多少？第9頁/共35頁105.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用求解：（1）幾何尺寸有變化，因此其相似準(zhǔn)則應(yīng)是同時必須滿足雷諾數(shù)大于2×105（2）原型所需耗費的功率為：第10頁/共35頁115.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用求解： （2）縮型所需耗費的功率為：（3）實驗臺所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速： 滿足的相似條件第11頁/共35頁12第五章軸流壓氣機(jī)性能特性例題2、進(jìn)口節(jié)流法若例題1中實驗臺的縮型比采用1:2，其動力源功率仍然滿足不了縮型實驗的要求，此時采用進(jìn)口節(jié)流法的相似準(zhǔn)則是什么？進(jìn)口總壓下降10%的時候?qū)嶒炁_實際消耗功率是多少？第12頁/共35頁135.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用求解： （1）在幾何尺寸不變時，節(jié)流法的相似準(zhǔn)則是：

（2）節(jié)流后所需耗費的功率為：（3）校驗雷諾數(shù)的大??！第13頁/共35頁145.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用應(yīng)用二：在性能優(yōu)異的原型壓氣機(jī)上，運用相似理論來進(jìn)行縮放、加零級設(shè)計。1，利用好的原型壓氣機(jī)進(jìn)行縮放設(shè)計一臺性能良好的多級壓氣機(jī)可以按相似準(zhǔn)則進(jìn)行放大或縮小，應(yīng)用到所需要的新機(jī)種中去。對于實驗研究中的高性能新型壓氣機(jī)進(jìn)行放大（由于實驗壓氣機(jī)尺寸多半較?。┚涂蓱?yīng)用于新機(jī)種。第14頁/共35頁155.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用2，壓氣機(jī)“加零級”設(shè)計所依賴的相似準(zhǔn)則在什么截面上應(yīng)用上述相似準(zhǔn)則？第15頁/共35頁165.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用例題3、壓氣機(jī)加零級設(shè)計我院研制的WP11的原型為美國J69發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)由一級軸流壓氣機(jī)和一級離心壓氣機(jī)組成，其軸流壓氣機(jī)是在原法國產(chǎn)小型發(fā)動機(jī)Marbore2上“加零級”而來?！凹恿慵墶痹O(shè)計的相似準(zhǔn)則是什么？如果要把WP11改為小型渦扇發(fā)動機(jī)，請問在標(biāo)準(zhǔn)大氣進(jìn)口條件下，若新的“零級”級壓比為2.0、效率為0.88時，原壓氣機(jī)級轉(zhuǎn)速提升多少？內(nèi)涵空氣流量能增大多少？第16頁/共35頁175.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用求解：（1）“加零級”設(shè)計的相似準(zhǔn)則是在什么截面上應(yīng)用如下等式？

問：是否滿足雷諾數(shù)大于2×105？第17頁/共35頁185.3軸流壓氣機(jī)相似準(zhǔn)則的應(yīng)用求解： （2）“零級”后的總溫為：滿足相似準(zhǔn)則所需達(dá)到的新轉(zhuǎn)速、流量：第18頁/共35頁195.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)5.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)不穩(wěn)定工況的分類壓氣機(jī)非穩(wěn)定工況可以分為兩大類。第一類屬于氣動彈性現(xiàn)象，這時葉片的振動屬于自激振動，這種現(xiàn)象被稱之為顫振。這種現(xiàn)象不在這里介紹。第二類是單純氣動現(xiàn)象，它也會激發(fā)葉片的振動，但這種葉片振動性質(zhì)屬于他激振動。第二類非穩(wěn)定工況又分為兩種：一是旋轉(zhuǎn)失速或稱旋轉(zhuǎn)分離；另一種是喘振現(xiàn)象。二者既有差別又有聯(lián)系。第19頁/共35頁205.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)一，旋轉(zhuǎn)失速當(dāng)轉(zhuǎn)速一定而空氣流量減少時，就會引起轉(zhuǎn)子動葉攻角的增加?？諝饬髁繙p少到一定程度就能觀察到不穩(wěn)定流動，同時壓氣機(jī)發(fā)出特殊叫聲，振動也增大。在轉(zhuǎn)子后測得的流場表明，有一個或多個低速氣流區(qū)以某一轉(zhuǎn)速沿動葉旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動，這種非穩(wěn)定工況被稱為旋轉(zhuǎn)失速。第20頁/共35頁215.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)

旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的經(jīng)典解釋率先出現(xiàn)分離區(qū)的葉片前面出現(xiàn)了明顯的氣流阻塞現(xiàn)象，受阻滯的氣流區(qū)使周圍的流動發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而引起左面葉片攻角增大并分離，同時引起右面葉片的攻角減小并解除分離，因而分離區(qū)相對于葉片排向左傳播，即相對轉(zhuǎn)子葉片按照葉片旋轉(zhuǎn)方向相反的方向轉(zhuǎn)動。站在絕對坐標(biāo)系上觀察，旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)以比壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為低的速度，和壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同作旋轉(zhuǎn)運動。

第21頁/共35頁225.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)失速的不同類型有些情況下，失速團(tuán)會貫穿整個葉高，這時，失速團(tuán)通常只有一個。這樣的失速形態(tài)一般發(fā)展為突變性失速。突變型失速較多地產(chǎn)生在輪轂比較大的壓氣機(jī)中，由于葉片短，旋轉(zhuǎn)失速一旦產(chǎn)生就可能波及整個葉高。有時，失速團(tuán)有多個，但每個失速團(tuán)都沒有貫穿葉高。其失速形式稱為部分展向失速。在一定的條件下，漸進(jìn)型失速也可以發(fā)展為突變型失速。

第22頁/共35頁235.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)旋轉(zhuǎn)失速的主要特征：旋轉(zhuǎn)失速時，失速團(tuán)沿壓氣機(jī)周向運動，造成周向不均勻流動，流場是非軸對稱的；漸進(jìn)型失速時，隨流量降低，壓氣機(jī)的壓升逐漸減?。煌蛔冃褪贂r，壓升會發(fā)生突然的下降；旋轉(zhuǎn)失速時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性無關(guān)，主要取決于壓氣機(jī)的工況（軸向速度和轉(zhuǎn)速）。危害：頻率高、強(qiáng)度大，葉片疲勞斷裂。第23頁/共35頁245.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)喘振什么樣的不穩(wěn)定現(xiàn)象屬于喘振？壓氣機(jī)的一類氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，其流量和壓升具有周期性的高振幅振蕩，時而體現(xiàn)為非失速的正常流動，時而表現(xiàn)為低流量低壓升的失速流動。喘振發(fā)生的物理機(jī)理流量減少，攻角增大，葉背全展向分離；進(jìn)出口流量調(diào)節(jié)的不匹配出口高反壓的管路環(huán)境由于氣流分離導(dǎo)致的增壓能力的喪失，產(chǎn)生周期性的倒流、解除分離、正常流動、分離、再倒流的循環(huán)過程。第24頁/共35頁255.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)喘振的主要特征壓氣機(jī)出口總壓和流量大幅度的波動；壓氣機(jī)內(nèi)部形成逆向的軸向流動；發(fā)出音調(diào)低而沉悶的放炮聲；非常強(qiáng)烈的機(jī)械振動；轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定。喘振時，其氣流脈動頻率和脈動振幅與流路容積特性相關(guān)，頻率低、強(qiáng)度大。只要具備一定的出口高反壓管路系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)失速基本上會成為喘振的前奏。第25頁/共35頁265.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)失速裕度的定義流量穩(wěn)定裕度增壓比穩(wěn)定裕度綜合穩(wěn)定裕度的定義對于航空發(fā)動機(jī)用的壓氣機(jī)，一般情況，在設(shè)計轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)失速裕度應(yīng)為15~20%左右。第26頁/共35頁275.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)措施簡介（1）氣動設(shè)計中的擴(kuò)穩(wěn)措施重點是考慮多級壓氣機(jī)的前面級和后面級第一級動葉寬弦設(shè)計、機(jī)匣處理設(shè)計、大稠度末級寬弦設(shè)計、大稠度、端彎設(shè)計、組合葉柵各級設(shè)計攻角的限制其它氣動設(shè)計措施：如邊界層吸附等。第27頁/共35頁285.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)（2）壓氣機(jī)中間級放氣第28頁/共35頁295.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)（3）可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和靜子葉片第29頁/共35頁30第五章軸流壓氣機(jī)性能特性（4）雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)工作原理第30頁/共35頁315.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)的工作原理壓氣機(jī)的情況在低換算轉(zhuǎn)速下工作時，壓氣機(jī)的前面級正攻角增大而后面級攻角減小，可能出現(xiàn)前喘后堵。渦輪的情況在低換算轉(zhuǎn)速下，后面級渦輪作功能力急劇下降（或明顯下降），而前面級渦輪作功能力無明顯下降。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的優(yōu)點可以在寬廣的范圍內(nèi)工作仍保持較高的壓氣機(jī)效率；自動防喘；容易起動等。第31頁/共35頁325.4壓氣機(jī)的不穩(wěn)定工況與擴(kuò)穩(wěn)進(jìn)口畸變?yōu)槭裁磿a(chǎn)生進(jìn)口畸變？大迎角機(jī)動，如Su37的超機(jī)動飛行飛機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈，尾氣進(jìn)入進(jìn)氣道近距空戰(zhàn)中多機(jī)纏斗產(chǎn)生的不均勻進(jìn)氣。第32頁/共35